[发明专利]一种气动调节阀粘滞特性参数的估计方法

说明书

本发明公开了一种气动调节阀粘滞特性参数的检测方法，本发明将气动调节阀的粘滞非线性特征通过线性化的方式转化为已知输入和未知输入两个部分，借助于未知输入估计器利用现场数据对未知输入进行在线估计；再在现有控制信号的基础上叠加测试信号以获取估计信息，进而利用估计信息对调节阀的非线性特征进行拟合。本发明可以有效解决气动阀非线性特征的检测问题，可以为调节阀非线性补偿提供所需信息，检测结果可以用于系统的性能分析和故障诊断，对提升系统运行的安全性和准确性有显著作用。

技术领域

本发明属于工业过程控制领域，具体涉及一种气动调节阀粘滞特性参数的在线估计方法。

背景技术

典型的工业过程控制领域的单回路控制系统如图1所示。气动调节阀是工业过程系统中常见的执行设备之一，其性能的好坏直接决定了工业过程控制系统的性能，对产品质量、生产装置运行的经济性和稳定性有着直接影响。由于受到支撑件损坏、阀芯及阀座受腐蚀、弹簧膜片破损、密封性下降、阀杆封装过紧、金属过热膨胀、润滑性能下降等因素的影响，气动调节阀在实际生产过程中呈现严重的非线性特征。这些非线性特征是导致控制系统性能恶化和回路振荡的主要原因之一。某一回路的振荡往往会波及其它控制回路，导致生产装置整体性能下降、原材料消耗过大、能耗增加、执行器磨损加速，甚至会导致系统不稳定。因此，通常需要对气动调节阀的输入输出特性进行检测，确定其非线性特征，然后设计相应的补偿措施，使其输入输出特征更为线性化。这样一方面有利于系统控制性能的提升，另一方面也有利于生产过程运行的稳定性和经济性。

气动调节阀中的非线性特征一般可以用死区、滞环等非线性环节描述，如图2所示。其突出的特点是调节阀上升行程和下降行程不重合，上下行程存在变差，导致控制器发出的控制指令不能得到有效执行，进而影响控制系统性能。

常见的气动执行器非线性特征的检测方法有交叉互相关方法(Horch,2000)、定性Hammerstein模型方法(Srinivasan,2005)、面积比率法(Singhal,2005)、基于继电器方法(Rossi,2005)、模式识别方法(Yamashita,2005)、双相关方法(Choudhury,2006)、Hammerstein模型方法(Choudhury,2008)、全局收索方法(Jelali,2008)等。上述方法利用控制输入信号和被控过程输出信号对阀门非线性特征进行检测，通常需要在控制回路出现振荡的情况下才有效，在回路没有出现振荡时其有效性将大大降低或者根本无法使用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，给出一种气动调节阀非线性特性的在线检测方法，采用估计器对调节阀非线性特征进行实时估计，为故障诊断以及控制系统的非线性补偿提供有效信息。

一种气动调节阀粘滞特性参数的检测方法，具体为：将气动调节阀的粘滞非线性特征通过线性化的方式转化为已知输入和未知输入两个部分，借助于未知输入估计器利用现场数据对未知输入进行在线估计；再在现有控制信号的基础上叠加测试信号以获取估计信息，进而利用估计信息对调节阀的非线性特征进行拟合。

作为优选：将气动阀的粘滞非线性特征描述为未知非线性函数；

作为优选：在现有控制信号的基础上叠加的测试信号为方波、PRBS或GBN信号。

作为优选：利用估计器估计的未知输入值和原有的已知输入值绘制散点图，从图中直接读取粘滞特性的基本参数。

作为优选：一种气动调节阀粘滞特性参数的检测方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：建立被控过程的数学模型。

被控过程的数学模型可以用如下形式的线性离散状态空间模型来描述：

其中x为系统状态，n为气动调节阀开度，y为被控过程中的被控工艺参数的测量值，A、B、C为系统矩阵，w和v为过程噪声和测量噪声，一般假设w和v为零均值的白噪声，且方差为和上述符号中的下标k表示采样时刻。